飛翼運輸機重心前后限和縱向飛行品質研究

呂新波, 盛慧, 齊萬濤

(中航工業第一飛機設計研究院 總體氣動設計研究所, 陜西 西安 710089)

飛翼運輸機重心前后限和縱向飛行品質研究

呂新波, 盛慧, 齊萬濤

(中航工業第一飛機設計研究院 總體氣動設計研究所, 陜西 西安 710089)

為了提高飛翼運輸機縱向飛行品質,首先研究了該類飛機縱向氣動性和操縱特點,并給出了確定其重心前后限的設計方法;然后給出了飛翼運輸機縱向操縱能力的計算方法并進行了計算分析;最后,針對飛翼運輸機縱向本體穩定性不滿足要求的問題,研究了提高飛翼運輸機縱向飛行品質的有效方法。研究結果表明,飛翼運輸機特有的操縱特性可提高其升阻比,通過合理設計重心前后限以及增穩系統控制律可以保證飛翼運輸機具有滿意的飛行品質。

飛翼; 重心前后限; 縱向靜穩定性; 短周期模態; 控制律

0 引言

為了降低成本、提高競爭力,各航空公司將低油耗、高經濟性作為下一代運輸機的主要要求。因具有優良的升阻特性(最大升阻比為20～25),飛翼運輸機作為有潛力的創新型飛機越來越受到重視。飛翼運輸機是一種既沒有平尾,也沒有垂尾的非常規布局飛機[1],是綜合了氣動、推力及飛控一體化的先進飛機。作為未來運輸機,飛翼運輸機令人耳目一新,翼身融合體更多地顧及了空氣動力特性的優化和有效載荷的增加。國外對飛翼運輸機氣動布局進行了詳細研究[2],將其作為下一代新型氣動布局飛機首選方案之一[3]。文獻[4]將飛翼氣動布局應用到民用運輸機的設計中,重點對飛翼運輸機的氣動布局進行了研究。因為沒有平尾和垂尾,所以飛翼運輸機的設計難點主要體現在操縱性和穩定性方面。由于飛翼布局導致的氣動、質量特性以及特殊操縱面的顯著特點,飛翼運輸機設計思路和方法有很多獨特之處。

本文重點研究了飛翼運輸機重心前后限的設計方法以及縱向操縱性、穩定性設計方法,同時給出了確定飛翼運輸機縱向最小靜穩定裕度的方法。

1 縱向氣動和操縱特點

本文研究的飛翼運輸機如圖1所示。

圖1 飛翼運輸機外形圖Fig.1 View of flying wing transport

飛翼布局與常規布局最主要的區別在于其取消了水平尾翼和垂直尾翼。飛翼布局俯仰操縱由安裝于機翼后緣處的兩對升降副翼來執行,且當兩對升降副翼差動偏轉時可以進行滾轉操縱。飛翼運輸機的操縱性和穩定性具有以下特點:

(1)飛翼運輸機俯仰操縱效率很低,約為常規布局飛機的1/7～1/5。主要原因為執行俯仰操縱的升降副翼離重心很近,操縱力臂很小;同時升降副翼還要進行滾轉操縱,存在操縱權限的分配問題;

(2)要考慮飛翼運輸機各舵面組合操縱的影響,使用升降副翼產生的俯仰操縱效率不足時,可以考慮其他操縱面產生的附加俯仰操縱效率,如阻力方向舵產生的俯仰操縱能力;

(3)由于俯仰操縱效率低,飛翼運輸機重心范圍盡量小，且靜穩定裕度不宜大;

(4)飛翼運輸機俯仰阻尼導數約為常規布局飛機的1/12～1/10,會降低飛機短周期阻尼比,但考慮到飛機的靜穩定裕度較小,因此飛翼運輸機短周期阻尼比通常不會太低;

(5)飛翼運輸機俯仰軸轉動慣量約為常規布局飛機的1/4～1/3,該特點對提高短周期頻率和操縱期望參數是有利的。

2 重心前后限確定

飛機重心后限由飛機本體最小縱向靜穩定裕度來確定。不同資料對縱向最小靜穩定裕度提出了不同的定量要求,采用非電傳飛控系統的運輸類飛機的縱向靜穩定裕度的絕對值不小于10%MAC～12%MAC[5],典型的運輸機在后重心位置上有5%MAC～10%MAC的縱向正靜裕量[6]。通常非電傳飛控系統大飛機的最小縱向靜穩定裕度大一些,而電傳飛控系統大飛機的最小縱向靜穩定裕度可以減小一些(進行了放寬靜穩定性)。最小縱向靜穩定性與平均氣動弦長相關,考慮到飛翼運輸機的平均氣動弦長是常規布局飛機的1.5～2倍,因此常規布局的最小縱向靜穩定裕度無法用于飛翼運輸機。

飛翼運輸機本體最小縱向靜穩定裕度的確定與飛機總體要求及飛行品質有關。雖然飛翼運輸機采用電傳操縱,但可靠性及安全性要求飛翼運輸機為縱向靜穩定的。考慮到飛翼運輸機俯仰操縱力臂短導致俯仰操縱效率很低,以及飛機重心有一定的范圍;因此飛翼運輸機最小縱向靜穩定裕度不宜過大,飛翼運輸機本體應該是弱靜穩定的,但最小縱向靜穩定裕度需要根據飛行品質的計算來確定。

雖然飛行品質規范GJB2874-97對最小縱向靜穩定裕度沒有要求,但飛行品質中的短周期反應以及機動飛行中的操縱感覺等要求,已經潛在地對最小縱向靜穩定裕度進行了要求。研究認為,縱向飛行品質指標為等級2所對應的靜穩定裕度作為本體最小縱向靜穩定裕度適合于飛翼運輸機。因此通過飛行品質指標的計算最終確定了飛翼運輸機本體最小縱向靜穩定裕度。圖2給出了給定縱向靜穩定性的短周期操縱期望參數計算結果。最終確定出飛翼運輸機本體最小縱向靜穩定裕度為2%MAC～3%MAC時,縱向飛行品質可以滿足等級2的要求,通過電傳飛控可以進一步提高飛行品質。

圖2 短周期頻率和操縱期望參數計算結果Fig.2 Results of short period frequency and control anticipant parameters

根據最小縱向靜穩定裕度以及氣動焦點,通過式(1)可求出飛翼運輸機重心后限:

(1)

通常飛機隨著燃油變化以及裝載變化重心有一定的變化范圍,在重心后限確定之后,根據重心的范圍,即可確定重心前限。考慮到飛翼運輸機俯仰操縱效率不高,因此重心前限不能太靠前,也就是說同時要求最小縱向靜穩定裕度不宜過大以及重心范圍不宜過大,設計過程中通過耗油順序優化以及裝載的合理布置確保一個較小的重心范圍,如5%MAC～6%MAC重心移動范圍。此時,確定出的重心前限對俯仰操縱能力提出了要求,也就是說俯仰操縱效能必須要保證重心前限時飛機的操縱性滿足要求。

3 縱向操縱能力

對于常規布局,通常俯仰操縱面位于尾翼后緣,其俯仰力臂較大,在設計完翼身組合體后進行尾翼設計,確保操穩特性滿足要求。飛翼布局與常規布局的最大差異在于取消了尾翼(包含平尾和垂尾),因此飛翼布局的俯仰操縱面只能布置于機翼后緣,目前采用較多的為升降副翼。升降副翼不但具有俯仰操縱功能,而且還具有滾轉操縱能力。

操縱面最基本的作用就是提供滿足規范要求的操縱效能。方案階段,可以根據以下針對縱向操縱性的要求來設計飛翼運輸機舵面操縱效能。

(1)起飛抬前輪要求

起飛抬前輪是一項必須檢查的縱向操縱效能設計狀態。規范要求在0.9倍最小離地速度時,縱向操縱效能應能使飛機抬起前輪,達到起飛離地姿態。飛翼運輸機起飛抬前輪階段升力小,重點要克服地面支反力及摩擦力引起的低頭力矩,對于弱穩定的飛翼運輸機,在重心前限平衡所需舵面負向偏量較大,因此該狀態點為計算俯仰操縱能力的臨界條件之一。

(2)

式中:q為動壓;T為發動機推力;x為飛機重心至主輪軸的水平距離;f為主輪滾動摩擦系數;yg為飛機重心至地面的鉛垂距離;yp為發動機推力線偏離飛機重心的鉛垂距離;SW為機翼參考面積;Cm為俯仰力矩系數;δe為升降副翼偏角。

對本文飛翼運輸機,在考慮一定阻力舵產生的俯仰力矩條件下,在重心前限起飛抬前輪所需的升降副翼偏角為-14°,滿足起飛抬前輪要求。計算分析發現，重心和主起落架距離對飛機起飛抬前輪影響非常大,重心和主起落架距離不宜過大。由于飛翼布局大飛機俯仰操縱效率低,因此必須確定合適的重心和主起落架距離,才能滿足起飛抬前輪要求。

(2)著陸接地要求

規范要求飛機著陸下滑過程中,接近地面時縱向操縱效能應足以使飛機達到并保持接地時的姿態。對于弱穩定的飛翼運輸機,在重心前限著陸接地時平衡所需舵面負向偏量較大,該狀態點為計算俯仰操縱能力的臨界條件之一。

將式(3)～式(5)平衡計算公式聯合迭代求解,可得飛機著陸接地時所需的縱向操縱面偏角:

qSWCL(α,δe)=G-Tsinα

(3)

qSWCD(CL,δe)=Tcosα

(4)

qSWcACm(CL,δe)=Tyg

(5)

計算得到本文飛翼運輸機重心前限著陸接地所需的升降副翼偏角為-11°,滿足著陸接地的要求。

調查結果顯示，有待進一步提高的知識包括跨學科知識、專業基礎知識、研究方法論知識、專業前沿知識等。分別有42.5%和22.5%的學生認為要提高專業前沿知識和研究方法論知識；另有17.5%和12.5%學生認為應該提高跨學科知識和專業基礎知識。其中，大部分學生把專業前沿知識看做最需要提高的知識。在課程設置時，如果沒有按照學生的知識結構合理整合課程知識內容，將會降低應有的知識覆蓋面。在能力提升方面，大多數學生認為創新能力和解決問題能力有待提高。從目前高校對學生培養情況看，這兩種能力的確也是當今大學生最欠缺的。

(3)機動能力要求

縱向操縱面最重要的設計要求即要滿足飛行包線中的機動過載。規范中要求在使用飛行包線內,單獨使用俯仰操縱時具有規定的法向過載范圍。因此在計算中首先求得縱向平衡所需舵面偏角,然后在此基礎上增加機動所需舵面偏角,即為保證縱向機動能力的舵面偏角。飛機在重心前限機動速度機動時舵面偏角需求為臨界值,大于機動速度后可以對舵面進行限偏。根據式(6)疊加配平時的縱向操縱面偏角，即可求出最大過載對應的舵面偏角：

(6)

式中:Cmδe為升降副翼俯仰操縱效率;Cmq為俯仰力矩系數對俯仰角速度的導數;μ為飛機的相對密度。

計算得到本文飛翼運輸機重心前限機動速度達到最大過載所需的升降副翼偏角為-8°,滿足機動能力要求。

4 縱向穩定性及控制律設計

飛翼運輸機的縱向靜穩定性較小,短周期頻率和操縱期望參數指標不滿足圖2等級1的要求。飛翼運輸機縱向穩定性通過縱向操縱面結合自動增穩系統獲得,這樣縱向操縱面同時要實現縱向穩定性要求。單獨俯仰速率反饋即阻尼器可以提高飛機短周期阻尼比,但對短周期頻率改變不大;單獨迎角反饋提高了短周期頻率,但降低了短周期阻尼比。因此通常同時使用俯仰速率反饋和迎角反饋(增穩系統)來提高飛機的短周期特性,進行控制律設計。

(1)根據縱向短周期模態特性簡化公式:

(7)

Cmq=Cmqbenti+KqCmδe

(8)

將式(8)帶入式(7)中可得:

(9)

根據式(9)即可求得增益Kq。

(2)根據縱向短周期模態特性簡化公式:

(10)

Cmq=Cmα benti+KαCmδe

(11)

由于式(10)中第二部分相對第一部分為小量,忽略后,將式(11)帶入式(10)可得:

(12)

根據式(12)即可求得增益Kα。

圖3給出了飛翼運輸機縱向增穩系統框圖。在巡航高度,當增益Kq=[0.21,0.18,0.17,0.16,0.15,0.13],Kα=[0.45,0.43,0.40,0.37,0.35,0.32]時的操縱期望參數、短周期頻率以及短周期阻尼比均能滿足等級1的要求。圖4和圖5給出了飛翼運輸機本體以及增加縱向增穩系統后的短周期模態特性。可以看出,增穩系統可以改善飛機短周期模態特性,使飛機動穩定性滿足要求。

圖3 縱向增穩系統框圖Fig.3 Chart of longitudinal augmentation system

圖4 飛翼運輸機短周期阻尼比對比圖Fig.4 Compare figure of short period damping ratio of flying wing transport

圖5 飛翼運輸機短周期頻率操縱期望參數對比圖Fig.5 Compare figure of short period frequency and control anticipant parameter of flying wing transport

5 結束語

本文給出了飛翼運輸機重心前后限的設計方法以及縱向操縱能力的計算方法,同時研究了提高飛翼運輸機縱向飛行品質的有效方法。該方法可以確保飛翼運輸機具有滿意的縱向飛行品質,適用于工程中飛機方案設計和應用。

[1] 林一平.崇尚簡潔高效的飛翼運輸機[J].交通和運輸,2010(3):29-30.

[2] Liebeck R H.Design of the blend-wing-body subsonic transport [R].Journal of Aircraft, 2004,41(1):10-25.

[3] Mialon B,Fol T,Bonnaud C.Aerodynamic optimization of subsonic flying wing configuration [R].AIAA-2002-2931,2002.

[4] 楊宇飛.飛翼運輸機氣動布局設計[D].西安:西北工業大學,2007.

[5] 比施根斯 Γ C.干線飛機空氣動力學和飛行力學[M].孫榮科,等譯.北京:航空工業出版社,1996:236-237.

[6] 雷曼爾D P.現代飛機設計[M].北京:國防工業出版社,1992:305-306.

(編輯：李怡)

Center gravity limits and longitudinal flying qualities of flying wing transport

LYU Xin-bo, SHENG Hui, QI Wan-tao

(General Configuration and Aerodynamics Design Institute, AVIC the First Aircraft Institute, Xi’an 710089， China)

For increasing the longitudinal flying qualities of the flying wing transport, the aerodynamics and control characteristics were researched firstly. The design method to ascertain the forward and after center gravity limits of the aircraft was given. Then, the control capacity of the flying wing transport was calculated with suggested method. At last, for the problem of the longitudinal stability of the flying wing transport couldn’t meet the requirements, the effective measure was researched to improve the longitudinal flying qualities. Research results show that the flying wing transport has special control characteristics to pursue high lift-drag ratio. Reasonable design of the forward and after center gravity limit and the stability augmentation system control law can assure satisfied flying qualities for flying wing transport.

flying wing; forward and after center gravity limits; longitudinal static stability; short period mode; control law

2014-12-15;

2015-04-25;

時間:2015-06-24 15:03

呂新波(1977-)，男，山西芮城人，高級工程師，碩士，主要從事飛機操縱性、穩定性設計和研究工作。

V212.1

A

1002-0853(2015)05-0395-04